DE102018208019A1

DE102018208019A1 - Magnetsensor, der mehrere Gradiometer für Winkelerfassung verwendet

Info

Publication number: DE102018208019A1
Application number: DE102018208019.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2018-11-22
Also published as: US20180335294A1; US11460289B2

Abstract

Eine beispielhafte Vorrichtung umfasst ein erstes Gradiometer, das einen ersten Satz von Erfassungselementen umfasst, die entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind, ein zweites Gradiometer, das einen zweiten Satz von Erfassungselementen umfasst, die entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind, und eine Steuerung. Der erste Satz von Erfassungselementen und der zweite Satz von Erfassungselementen können ausgebildet sein, um einen Satz von Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die senkrecht zu der Drehachse sind, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, und die erste Ebene und die zweite Ebene können senkrecht zu einer Drehachse eines drehbaren Objekts sein. Die Steuerung kann über das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer den Satz von Komponenten des Magnetfelds erhalten. Die Steuerung kann dann basierend auf dem Erhalten des Satzes von Komponenten des Magnetfelds die Winkelposition des drehbaren Objekts bestimmen.

Description

Verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U.S.C. § 119 der U.S. Provisional-Patentanmeldung Nr. 62/509,570 , eingereicht am 22. Mai 2017, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Hintergrund
Ein Magnetsensor ist in der Lage, Komponenten eines Magnetfelds zu erfassen, das an dem Magnetsensor angelegt ist, wie zum Beispiel einen Betrag in einer oder mehreren spezifischen vordefinierten Richtungen und/oder dergleichen. Das Magnetfeld, das durch einen Magneten erzeugt wird, kann von einer Magnetisierung des Magneten, einer Form des Magneten, einer Umgebung des Magneten und/oder dergleichen abhängen. Der Magnetsensor kann verwendet werden, um beispielsweise Bewegung, Position, Drehwinkel und/oder dergleichen des Magneten zu erfassen, der bei einer Vielzahl von Anwendungen mit einem Objekt verbunden sein kann, wie zum Beispiel einer mechanischen Anwendung, einer industriellen Anwendung, einer Verbraucheranwendung und/oder dergleichen.
Kurzdarstellung
Gemäß einigen Implementierungen kann eine Magnetsensoranordnung einen Magnetsensor umfassen, um eine Winkelposition eines drehbaren Objekts zu bestimmen, wobei das drehbare Objekt ausgebildet ist, um sich um eine Mitte der Drehachse zu drehen, und wobei der Magnetsensor ein erstes Gradiometer mit einem ersten Satz von Erfassungselementen, die auf einer ersten Achse ausgerichtet sind, und ein zweites Gradiometer mit einem zweiten Satz von Erfassungselementen, die auf einer zweiten Achse ausgerichtet sind, umfasst, wobei das erste Gradiometer eine erste Gradiometermitte auf der ersten Achse aufweist und wobei das zweite Gradiometer eine zweite Gradiometermitte auf der zweiten Achse aufweist, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Ache in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene jeweils senkrecht zu der Drehachse sind, wobei die erste Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die zweite Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist, so dass der Magnetsensor über das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer einen Satz von Magnetfeldkomponenten eines Magnetfelds erfassen kann, das durch einen Magneten erzeugt wird, wobei der Satz von Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Drehachse ist; wobei der Magnet ausgebildet ist, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt zu drehen; und um basierend auf dem Erfassen des Satzes von Magnetfeldkomponenten die Winkelposition des drehbaren Objekts zu bestimmen.
Gemäß einigen Implementierungen kann ein Magnetsensor ein erstes Gradiometer umfassen, das einen ersten Satz von Erfassungselementen aufweist, die entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind, wobei das erste Gradiometer eine erste Gradiometermitte auf der ersten Achse aufweist; ein zweites Gradiometer, das einen zweiten Satz von Erfassungselementen aufweist, die entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind, wobei das zweite Gradiometer eine zweite Gradiometermitte der zweiten Achse aufweist, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene senkrecht zu einer Mitte einer Drehachse eines drehbaren Objekts sind, wobei der erste Satz von Erfassungselementen und der zweite Satz von Erfassungselementen ausgebildet sind, um einen Satz von Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die senkrecht zu der Mitte der Drehachse sind; und einen Digitalsignalprozessor, der über das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer den Satz von Magnetfeldkomponenten erhalten kann, wobei der Satz von Magnetfeldkomponenten gemessen wird von einem Magnetfeld, das durch einen Magneten erzeugt wird, der ausgebildet ist, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt zu drehen; und um basierend auf dem Erhalten des Satzes von Komponenten des Magnetfelds eine Winkelposition des drehbaren Objekts zu bestimmen.
Ein beispielhaftes Verfahren kann das Positionieren eines Magneten an einem Ende eines drehbaren Objekts umfassen, wobei das drehbare Objekt ausgebildet ist, um sich um eine Mitte einer Drehachse zu drehen; und das Positionieren eines Magnetsensors, der an einem axialen Abstand von dem Magneten und versetzt von der Mitte der Drehachse zu positionieren ist, wobei der Magnetsensor ein erstes Gradiometer mit einem ersten Satz von Erfassungselementen, die auf einer ersten Achse ausgerichtet sind und ein zweites Gradiometer mit einem zweiten Satz von Erfassungselementen, die auf einer zweiten Achse ausgerichtet sind, umfasst, wobei das erste Gradiometer eine erste Gradiometermitte auf der ersten Achse aufweist und wobei das zweite Gradiometer eine zweite Gradiometermitte auf der zweiten Achse aufweist, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene jeweils senkrecht zu der Drehachse sind, wobei die erste Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die zweite Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist.
Figurenliste

1A und 1B sind Diagramme einer hierin beschriebenen beispielhaften Implementierung.
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Umgebung, in der Magnetanordnungen, Vorrichtungen und Systeme und/oder Verfahren, die hierin beschrieben sind, implementiert werden können.
3 ist ein Diagramm eines beispielhaften Magneten, der in der beispielhaften Umgebung von 2 enthalten sein kann.
4 ist ein Diagramm eines beispielhaften Gradiometers, das in dem Magnetsensor von 3 enthalten sein kann.
5-9 sind Diagramme im Zusammenhang mit beispielhaften Implementierungen einer hierin beschriebenen Magnetsensoranordnung.
10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses im Zusammenhang mit der Konfigurierung einer Magnetsensoranordnung, wie sie hierin beschrieben ist.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung beispielhafter Implementierungen bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen. Die gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Zeichnungen können die gleichen oder ähnliche Elemente identifizieren.
In einigen Fällen werden Magnetsensoren verwendet, um einen Winkel eines drehbaren Objekts zu bestimmen. Bei Ausführungsbeispielen können die Magnetsensoren verwendet werden, um einen absoluten Drehwinkel von einer sofortigen Messung zu bestimmen.
Beispielsweise können die Magnetsensoren verwendet werden, um einen Winkel zwischen 0 und 360 Grad zu bestimmen. Das Objekt kann eine drehbare Welle sein, die einen Magneten umfasst, der ausgebildet ist, um sich zusammen mit der drehbaren Welle zu drehen. Beispielsweise kann der Magnet an der drehbaren Welle fixiert sein, mit der drehbaren Welle verbunden sein, als Teil der drehbaren Welle gebildet sein und/oder dergleichen. Die Magnetsensoren können zwischen den Enden der drehbaren Welle von der drehbaren Welle versetzt sein. In solchen Fällen können die Magnetsensoren jedoch durch Störungen in dem Magnetfeld beeinträchtigt werden (z. B. aufgrund der Störung, die das Magnetfeld überlagert). Entsprechend kann eine Ausgabe von dem Magnetsensor fehlerhaft sein und die falsche Winkelposition der drehbaren Welle anzeigen.
In einigen Fällen kann der Magnetsensor ein oder mehrere Gradiometer umfassen, um eine absolute Winkelposition der drehbaren Welle (oder den Drehwinkel der drehbaren Welle) zu bestimmen. Die Gradiometer können einen Satz von Erfassungselementen verwenden und zeigen eine Differenz zwischen den Magnetfeldkomponenten an, die durch jedes der Erfassungselemente von unterschiedlichen jeweiligen Positionen erfasst werden. Daher können das eine oder die mehreren Gradiometer Störungen in dem Magnetfeld unterdrücken durch Erfassen des Magnetfelds von mehreren Positionen (d. h. den jeweiligen Positionen von jedem der Erfassungselemente). Je näher die Erfassungselemente zueinander sind, umso größer ist jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass eine Störung in dem Magnetfeld durch jedes der Erfassungselemente des Gradiometers erfasst wird. Daher kann ein Signal von dem Gradiometer relativ klein sein aufgrund der geringen Inhomogenität jeder Störung (was an der Positionierung des Magnetwinkelsensors relativ zu der Mitte der Drehachse der drehbaren Welle liegen kann). Andererseits kann das Erhöhen einer Größe eines Halbleitersubstrats (z. B. eines Siliziumchips) des Magnetsensors, der das eine oder die mehreren Gradiometer umfasst, um den Abstand zwischen den Erfassungselementen des einen oder mehreren Gradiometer zu erhöhen, kostenaufwendig sein. Beispielsweise kann das Erhöhen der Größe des Magnetsensors (z. B., größer als 5 mm) mehr Material erfordern und/oder eine größere Menge an verfügbarem Raum, um den Magnetsensor in ein System oder eine Maschine, die den Magnetsensor verwenden (z. B. ein Fahrzeug, eine Anwendung, eine Herstellungsmaschine und/oder dergleichen, zu platzieren.
Einige hierin beschriebene Implementierungen schaffen eine Magnetsensoranordnung und/oder einen Magnetsensor, der eine Wahrscheinlichkeit erhöht, dass eine Störung in dem Magnetfeld nicht durch jedes Erfassungselement erfasst wird. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, können die beispielhafte Magnetsensoranordnung und der Magnetsensor mehrere Gradiometer mit jeweiligen Erfassungselementen umfassen, die relativ weit entfernt voneinander sind (z. B. größer als 2 mm (mm)) und relativ zu einer Mitte einer Drehachse eines drehbaren Objekts positioniert sind. Ferner können einige hierin beschriebene Implementierungen eine relativ kleine Größe (z. B. mit einer Länge, Breite und/oder einem Radius von weniger als 5 mm) des Magnetsensors beibehalten, um die Winkelposition zu erfassen. Bei einigen hierin beschriebenen Implementierungen können mehrere Gradiometer innerhalb eines Magnetsensors ausgebildet sein, so dass ein Abstand zwischen Erfassungselementen maximiert ist und die mehreren Gradiometer auf Achsen in Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zu der Mitte der Drehachse sind. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor (oder ein Substrat und/oder Gradiometer des Magnetsensors) von der Mitte der Drehachse versetzt sein, so dass eine oder mehrere Mitten der mehreren Gradiometer von der Mitte der Drehachse versetzt sind.
Entsprechend können einige hierin beschriebene beispielhafte Implementierungen eine Genauigkeit zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren Objekts erhöhen. Daher können Systemfehler, Ausfälle und/oder Unfälle, die durch Verwendung von alten Techniken verursacht werden, vermieden werden unter Verwendung von einer oder mehreren der beispielhaften Implementierungen einer Magnetsensoranordnung und/oder eines Magnetsensors, die hierin beschrieben sind.
1A und 1B sind Diagramme einer hierin beschriebenen beispielhaften Implementierung 100. Die beispielhafte Implementierung 100 umfasst einen Magnetsensor zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren Objekts. Wie es in 1A gezeigt ist, umfasst die beispielhafte Implementierung 100 das drehbare Objekt (z. B. eine drehbare Welle), einen Magneten, der ausgebildet ist, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt zu drehen, und den Magnetsensor mit mehreren Erfassungselementen 1 bis 4, die verwendet werden, um die Winkelposition des drehbaren Objekts zu bestimmen. Wie es in 1B gezeigt ist, zeigt eine Draufsicht des Magnetsensors ein beispielhaftes Layout eines ersten Gradiometers, das Erfassungselemente 1 und 2 aufweist, und eines zweiten Gradiometers, das Erfassungselemente 3 und 4 aufweist.
Wie es in 1A gezeigt ist, ist der Magnetsensor abgesetzt von dem Ende des Magneten positioniert, so dass es einen Luftspalt (der beispielsweise einem Axialabstand entspricht) zwischen dem Magneten und dem Magnetsensor (oder einem Halbleitersubstrat des Magnetsensors) gibt. Eine Größe des beispielhaften Luftspalts kann von der Größe und/oder dem Entwurf des Magnetsensors abhängen. Beispielsweise kann die Größe des Luftspalts auf einem Abstand zwischen den Erfassungselementen des ersten Gradiometers und des zweiten Gradiometers basieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Größe des Luftspalts von der Konfiguration des Magneten (z. B. der Größe, Magnetisierung und/oder dergleichen) abhängen. Bei einigen Implementierungen ist die Größe des Luftspalts geringer als 10 mm.
Wie es ferner in 1A gezeigt ist, ist der Magnet an einem Ende des drehbaren Objekts fixiert, mit demselben verbunden oder als ein Teil desselben gebildet. Entsprechend dreht sich der Magnet, wenn sich das drehbare Objekt dreht (z. B. aufgrund einer gewissen Kraft). Ein Magnetfeld der beispielhaften Implementierung 100 kann dann durch die Drehung des Magneten beeinträchtigt werden. Daher können das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer über die Erfassungselemente die Winkelposition des drehbaren Objekts bestimmen basierend auf erfassten Komponenten des Magnetfelds. Bei einigen Implementierungen besteht der Satz von Komponenten des Magnetfelds, die durch das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer erfasst werden, aus Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Drehachse.
Wie es in 1B gezeigt ist, besteht das erste Gradiometer aus Erfassungselementen 1 und 2 und das zweite Gradiometer besteht aus Erfassungselementen 3 und 4. Die Erfassungselemente 1 und 2 bilden das erste Gradiometer, da dieselben entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind und die Erfassungselemente 3 und 4 bilden das zweite Gradiometer, da dieselben entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind. Das erste Gradiometer kann ausgebildet sein, um einen Gradienten einer ersten Komponente eines Magnetfelds des Magneten (z. B. eine x-Komponente) zu erfassen, und das zweite Gradiometer kann ausgebildet sein, um einen Gradienten einer zweiten Komponente des Magnetfelds (z. B. eine y-Komponente) zu erfassen. Ein erstes Paar von Gradientensignalen kann erfasst werden durch Bestimmen der ersten Komponente (x-Feldkomponente) an den Positionen der Erfassungselemente 1 und 2, wo die Positionen zumindest in der Richtung der ersten Komponente (x-Richtung) beabstandet sind. Ein zweites Paar von Gradientensignalen kann erfasst werden durch Bestimmen der zweiten Feldkomponente an den Positionen der Erfassungselemente 3 und 4, wo die Positionen zumindest in der Richtung der zweiten Feldkomponente (y-Richtung) beabstandet sind. Die erste Achse kann in einer ersten Ebene liegen, die senkrecht zu der Drehachse ist, und die zweite Achse kann in einer zweiten Ebene liegen, die senkrecht zu der Drehachse ist. Bei einigen Implementierungen sind die erste Ebene und die zweite Ebene eine gleiche Ebene (d. h. die erste Ebene und die gleiche zweite Ebene sind identisch).
Wie es ferner in 1B gezeigt ist, kann eine erste Gradiometermitte (z. B. ein Punkt entlang der ersten Achse, die ein Mittelpunkt (Hälfte des Abstands) zwischen dem Erfassungselement 1 und dem Erfassungselement 2 ist) und eine Mitte des zweiten Gradiometers (z. B. ein Punkt entlang der zweiten Achse, die ein Mittelpunkt (Hälfte des Abstands) zwischen dem Erfassungselement 3 und dem Erfassungselement 4 ist) von der Mitte der Drehachse versetzt sein. Ferner kann bei einigen Implementierungen ein Gradiometerschnittpunkt (z. B. wo sich die erste Achse und die zweite Achse schneiden) von der ersten Gradiometermitte und/oder der zweite Gradiometermitte versetzt sein. Ferner kann die Gradiometerschnittstelle von der Mitte der Drehachse versetzt sein. Bei einigen Implementierungen ist das erste Gradiometer symmetrisch mit einem zweiten Gradiometer ausgerichtet relativ zu einem Radius, der sich von der Mitte der Drehachse erstreckt. Beispielsweise können die Erfassungselemente 1 und 2 ausgebildet sein, um jeweils symmetrisch zu den Erfassungselementen 4 und 3 zu sein, relativ zu einer Radialachse, die durch die Gradiometerschnittstelle und die Mitte der Drehachse verläuft.
Bei einigen Implementierungen kann die Gradiometerschnittstelle mit der Mitte der Drehachse ausgerichtet sein. Bei einigen Implementierungen können das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer auf einem Substrat angeordnet sein, so dass das Erfassungselement 1 und das Erfassungselement 2 im Wesentlichen einen maximal verfügbaren Abstand voneinander aufweisen, und das Erfassungselement 3 und das Erfassungselement 4 an einem maximal verfügbaren Abstand voneinander liegen (z. B. gemäß einem speziell entworfenen Layout des oder einer Beziehung zwischen dem ersten Gradiometer und dem zweiten Gradiometer).
Die maximalen Abstände zwischen Erfassungselementen 1 und 2 beziehungsweise Erfassungselementen 3 und 4 können auf den Abmessungen des Substrats (z. B. eines Halbleiterchips) des Magnetsensors basieren, der das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer umfasst.
Der Magnetsensor kann die Winkelposition bestimmen basierend auf Signalen, die von dem ersten Gradiometer und dem zweiten Gradiometer empfangen werden. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor ein erstes Gradiometersignal von dem ersten Gradiometer und ein zweites Gradiometersignal von dem zweiten Gradiometer basierend auf einem Satz von ausgebildeten Signalversätzen und Signalverstärkungen normieren. Die ausgebildeten Signalversätze und/oder Signalverstärkungen können auf dem Entwurf der beispielhaften Implementierung 100, einem oder mehreren Charakteristika des Magneten und/oder einer oder mehreren Charakteristika der Erfassungselemente basieren. Daher kann der Magnetsensor ein normiertes Gradiometersignal von dem ersten Gradiometersignal und dem zweiten Gradiometersignal erhalten. Basierend auf dem normierten Gradiometersignal kann der Magnetsensor dann die Winkelposition des Magneten und entsprechend des drehbaren Objekts bestimmen.
Daher kann die beispielhafte Implementierung 100 eine Inhomogenität zwischen den Erfassungselementen des ersten Gradiometers bzw. des zweiten Gradiometers erhöhen. Ferner kann eine Positionierung des Magnetsensors, so dass die erste Gradiometermitte und/oder die zweite Gradiometermitte von der Drehachse versetzt ist, die Inhomogenität der Signale erhöhen, die durch die Erfassungselemente des ersten Gradiometers und des zweiten Gradiometers erfasst werden. Daher kann der Magnetsensor eine Störung in dem Magnetfeld der Magnetfeldsensoranordnung genauer erfassen.
Ferner stellt die beispielhafte Implementierung 100 von 1A und 1B eine Magnetsensoranordnung bereit, die es ermöglicht, dass der Magnetsensor eine relativ kleine Größe (z. B. weniger als 10 mm) beibehält. Beispielsweise kann durch Anordnen des ersten Gradiometers und des zweiten Gradiometers auf einem Chip des Magnetsensors der Magnetsensor die gleiche oder kleinere Abmessungen aufweisen wie vorher verwendete Magnetsensoren. Darüber hinaus kann das Positionieren des Magnetsensors auf geeignete Weise relativ zu der Mitte der Drehachse die Größe des Magnetsensors nicht beeinträchtigen (z. B. erfordert nicht, dass die Größe des Magnetsensors erhöht wird).
Wie es oben angezeigt ist, sind 1A und 1B lediglich als ein Beispiel bereitgestellt. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem unterscheiden, was in Bezug auf 1A und 1B beschrieben wurde.
2 ist ein Diagramm einer beispielhaften Umgebung 200, in der magnetische Anordnungen, Vorrichtungen, Systeme und/oder Verfahren, die hierin beschrieben sind, implementiert werden können. Wie es in 2 gezeigt ist, kann die Umgebung 200 ein drehbares Objekt 205 (das der drehbaren Welle von 1A und 1B entspricht), das in Bezug auf eine Mitte einer Drehachse 210 positioniert sein kann, einen Magneten 215 (der dem Magneten von 1A und 1B entsprechen kann), der mit dem drehbaren Objekt 205 verbunden ist, einen Magnetsensor 220 (der dem Magnetsensor von 1A und 1B entsprechen kann) und eine Steuerung 225 umfassen.
Das drehbare Objekt 205 ist ein Objekt, für das eine Winkelposition und/oder dergleichen für eine bestimmte Anwendung von Interesse ist. Beispielsweise kann das drehbare Objekt 205 ein Teil eines mechanischen Systems einer Maschine (z. B. eines Fahrzeugs, einer Produktionsmaschine, einer Industriemaschine, einer Landwirtschaftsmaschine, einer Anwendung und/oder dergleichen) sein. Bei einigen Implementierungen ist das drehbare Objekt 205 zylindrisch. Bei solchen Implementierungen kann der Radius des drehbaren Objekts 205 etwa 5 mm betragen. Bei einigen Implementierungen kann sich das drehbare Objekt 205 um die Mitte der Drehachse 210 drehen. Die Mitte der Drehachse 210 kann einer entworfenen Mitte einer Drehachse, die dem drehbaren Objekt 205 zugeordnet ist, entsprechen.
Bei einigen Implementierungen ist das drehbare Objekt 205 mit dem Magneten 215 verbunden (z. B. an demselben angebracht, mit demselben gekoppelt, an demselben fixiert, in denselben eingebettet, als Teil desselben gebildet und/oder dergleichen). Entsprechend kann der Magnet 215 ausgebildet sein, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt 205 zu drehen, so dass eine Drehung oder Winkelposition des Magneten 215 einer Dreh- oder Winkelposition des drehbaren Objekts 205 entspricht, wie es hierin beschrieben ist.
Der Magnet 215 kann diametral magnetisiert sein, so dass der Magnet 215 kein drotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt, wenn sich der Magnet 215 dreht. Beispielsweise kann der Magnet 215 eine erste Hälfte, die einen Nordpol (N) bildet, und eine zweite Hälfte, die einen Südpol (S) bildet, umfassen, so dass der Magnet 215 ein Polpaar aufweist. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 ohne Beschränkung mehr als ein Polpaar aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Magnet 215 einen Dipolmagneten, einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten, ein Magnetband, einen axial magnetisierten Magneten und/oder dergleichen umfassen.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 aus einem ferromagnetischen Material (z. B. Hartferrit) bestehen und kann ein Magnetfeld erzeugen. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 ferner einen Seltenerdmagnet aufweisen, was von Vorteil sein kann aufgrund einer intrinsisch hohen Magnetfeldstärke von Seltenerdmagneten.
Bei einigen Implementierungen kann eine Abmessung des Magneten 215 (z. B. eine Länge, eine Breite, eine Höhe, ein Durchmesser, ein Radius und/oder dergleichen) in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 15 mm liegen, wie z. B. 5 mm. Als ein besonderes Beispiel kann der Magnet 215 zylindrisch sein und eine Dicke oder Höhe von etwa 5 mm oder einen Radius von etwa 5 mm aufweisen. Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 eine Ausnehmung oder Kerbe umfassen, die das drehbare Objekt 205 aufnimmt. Obwohl der Magnet 215 gemäß beispielhaften Implementierungen hierin hauptsächlich als zylindrisch beschrieben ist, kann der Magnet 215 auch eine andere Form aufweisen, wie z. B. eine Ringform, eine kubische Form, eine ellipsoide Form, eine Dreiecksform, eine polygonale Form und/oder dergleichen.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 gemäß einer Referenzrichtung ausgebildet sein, die dem Magnetsensor 220 zugeordnet ist. Unter Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems mit x-, y- und z-Achsen des Magnets 215 kann die z-Achse die Mitte der Drehachse 210 sein und die x- und y-Achse sind senkrecht zueinander und zu der z-Achse. Bei einigen Implementierungen kann die Magnetisierung des Magneten 215 am Beginn der Drehung (z. B. wenn das drehbare Objekt 205 und der Magnet 215 im Ruhezustand sind) mit der x-Achse ausgerichtet sein. Anders ausgedrückt, das Dipolmoment des Magneten 215 zeigt in die x-Richtung. Wenn die Drehung beginnt, dreht sich die Richtung, in der das Dipolmoment zeigt innerhalb der x-, y-Ebene des Magneten 215.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnet 215 auf asymmetrische Weise mit dem drehbaren Objekt 205 verbunden sein. Beispielsweise kann eine Mittelachse des Magneten 215 nicht mit der Mitte der Drehachse 210 ausgerichtet sein. Obwohl der Magnet 215 mit scharfen Kanten/Ecken gezeigt ist, können Kanten und/oder Ecken des Magneten 215 abgerundet sein.
Der Magnetsensor 220 von 2 umfasst eine oder mehrere Vorrichtungen zum Erfassen einer oder mehrerer Komponenten eines Magnetfelds des Magneten 215 für die Verwendung beim Bestimmen einer Winkelposition des drehbaren Objekts 205 (z. B. basierend auf einer Position des Magneten 215 relativ zu dem Magnetsensor 220). Der Magnetsensor 220 kann das Magnetfeld, das durch den Magneten 215 erzeugt wird, asymmetrisch erfassen, um eine Winkelposition des Magneten 215 und daher des drehbaren Objekts 205 zu bestimmen. Beispielsweise kann der Magnetsensor 220 eine oder mehrere Schaltungen umfassen (z. B. eine oder mehrere integrierte Schaltungen), die arbeiten, um einen Satz von Komponenten des Magnetfelds, das durch den Magneten 215 erzeugt wird, zu erfassen. Gemäß einigen Implementierungen kann ein Satz von Komponenten ein oder mehrere einer Intensität eines Magnetfelds (z. B. eine Magnetflussdichte und/oder eine Magnetfeldstärke), eines Magnetfeldbetrags, einer Magnetfeldrichtung oder dergleichen umfassen. Entsprechend kann ein Magnetsensor 220 ein Ausgangssignal bereitstellen (z. B. an die Steuerung 225), das eine physikalische Größe anzeigt (z. B. eine Komponente des Magnetfelds).
Der Magnetsensor 220 kann ein dreidimensionaler (3D) Magnetsensor sein, der in der Lage ist, drei Richtungskomponenten eines Magnetfelds zu erfassen (z. B. eine x-Komponente, die einer x-Achse des Magnetsensors 220 entspricht, eine y-Komponente, die einer y-Achse des Magnetsensors 220 entspricht, und eine z-Komponente, die einer z-Achse des Magnetsensors 220 entspricht). Beispielsweise kann der Magnetsensor 220 ein Halbleitersubstrat umfassen, das Erfassungselemente und/oder Gradiometer umfasst. Das Halbleitersubstrat kann ein Polygon sein (z. B. ein Tetragon, ein Pentagon, ein Hexagon und/oder dergleichen) und einen Bereich aufweisen, der durch Positionen der Erfassungselemente und/oder Gradiometer definiert ist. Der Bereich kann beispielsweise eine Länge aufweisen, die einer Länge eines ersten Gradiometers entspricht und eine Breite, die einer Länge eines zweiten Gradiometers des Halbleitersubstrats entspricht (z. B. wenn das erste und zweite Gradiometer ausgebildet sind, um senkrecht zueinander zu sein). In solch einem Fall kann der Bereich ein Tetragon sein (z. B. ein Quadrat, ein Rechteck und/oder dergleichen). Zusätzlich oder alternativ kann der Bereich einen Umfang aufweisen, der durch die Positionen der Erfassungselemente und/oder Gradiometer definiert ist. Der Bereich kann beispielsweise ein Polygon sein mit Scheitelpunkten durch die Positionen der Erfassungselemente oder Gradiometer definiert sind. Bei einigen Aspekten können die Scheitelpunkte den Positionen der Erfassungselemente entsprechen und/oder die Scheitelpunkte des Polygons können von den Positionen der Erfassungselemente abhängen, so dass die Scheitelpunkte des Polygons es ermöglichen, dass Kanten des Polygons eine Form oder den Bereich bilden, der jedes der Erfassungselemente oder Gradiometer des Magnetsensors 220 umfasst.
Bei einigen Implementierungen können die Erfassungselemente und/oder die Gradiometer des Magnetsensors 220 ausgebildet sein, um einen Satz von Magnetfeldkomponenten (z. B. x-Komponenten und y-Komponenten) in Ebenen zu erfassen, die senkrecht zu der Mitte der Drehachse 210 sind. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 eine integrierte Schaltung umfassen, die eine integrierte Steuerung 225 umfasst (z. B. so dass ein Ausgang des Magnetsensors 220 Informationen umfassen kann, die eine Position des Magneten 215 und/oder eine Position des drehbaren Objekts 205 beschreiben). Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 ein oder mehrere Erfassungselemente umfassen (die beispielsweise den Erfassungselementen von 1A und 1B entsprechen), die ausgebildet sind, um eine oder mehrere Komponenten des Magnetfelds, das durch den Magneten 215 erzeugt wird, zu erfassen. Die Erfassungselemente können ein oder mehrere Gradiometer umfassen und/oder ausgebildet sein, um diese zu bilden, wie es hierin beschrieben ist. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 einen Analog/Digital-Wandler (ADC) umfassen, um analoge Signale, die von den Erfassungselementen empfangen werden, in digitale Signale umzuwandeln, die durch den Magnetsensor 220 zu verarbeiten sind (z. B. durch einen Digitalsignalprozessor (DSP)).
Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 an einer Position relativ zu dem Magneten 215 angeordnet sein, so dass der Magnetsensor 220 eine oder mehrere der Komponenten des Magnetfelds, das durch den Magnet 215 erzeugt wird, erfassen kann. Der Magnetsensor 220 kann beispielsweise abgesetzt von einem Ende des drehbaren Objekts 205 positioniert sein, das den Magneten 215 umfasst, um eine Magnetfeldkomponente des Magneten 215 zu erfassen, während sich der Magnet 215 um die Drehachse 210 dreht. Bei einigen Implementierungen kann ein Luftspalt (z. B. zumindest 1 mm Luftspalt) zwischen den Magnetsensor 220 und dem Magneten 215 vorliegen, wenn sich der Magnet 215 um die Drehachse 210 nahe dem Magnetsensor 220 dreht. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 von der Mitte der Drehachse 210 versetzt sein. Eine Mitte des Magnetsensors 220 kann beispielsweise nicht mit der Mitte der Drehachse 210 ausgerichtet sein. Ferner kann der Magnetsensor 220 bei einigen Implementierungen von der Mitte der Drehachse 210 relativ zu einer oder mehreren Abmessungen und/oder Positionen des einen oder der mehreren Gradiometer in dem Magnetsensor 220 versetzt sein.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 während der Drehung die Winkelposition des Magneten 215 ableiten basierend auf Signalen von den Gradiometern des Magnetsensors 220. Die Signale können Messinfomationen umfassen, die Messungen einer erfassten Magnetfeldkomponente anzeigen, die durch die jeweiligen Gradiometer durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Magnetsensor 220 ein x-Gradiometer mit Erfassungselementen 1 und 2 (die die Magnetfeldkomponente B_x erfassen und Messungen von B_x1 bzw. B_x2 bereitstellen) und ein y-Gradiometer mit Erfassungselementen 3 und 4 (die die Magnetfeldkomponente B_y erfassen und Messungen von B_y3 beziehungsweise By4 bereitstellen) umfassen. Der Magnetsensor 220 kann ein Signal (S_x = B_x1-B_x2) von dem x-Gradiometer und ein Signal (S_y = B_y3-B_y4) von dem y-Gradiometer basierend auf entsprechenden Signalverstärkungen (c_x, c_y) und Versätzen (off_x, off_y) wie folgt normieren: $S_{xn} = S_{x} * c_{x} + {off}_{x}, {Sy}_{n} = S_{y} * c_{y} + {off}_{y}$
wobei S_xn einem normierten Signal von dem ersten Gradiometer entspricht und S_yn einem normierten Signal von dem zweiten Gradiometer entspricht. In solchen Fällen können die Signalverstärkungen (c_x, c_y) von der Konfiguration des ersten Gradiometers und des zweiten Gradiometers innerhalb des Magnetsensors 220, einem Entwurf des Magnetsensors 220 und/oder einer oder mehreren Charakteristika des Magneten 215 abhängen. Ferner können die Versätze (off_x, off_y) auf einer Konfiguration des ersten Gradiometers und/oder des zweiten Gradiometers basieren. Ferner kann der Magnetsensor 220 die normierten Signale (S_xn, S_yn) kombinieren, um ein normiertes Gradiometersignal wie folgt zu erhalten: $S_{xn2} = S_{xn} * c_{2} + S_{yn}$
wobei c₂ eine Konstante sein kann, die auf einer oder mehreren Charakteristika des Magnetsensors 220 oder der Umgebung 200 basiert. Schließlich kann der Magnetsensor 220 von dem normierten Gradiometersignal Folgendes berechnen: $phi = {arctan}_{2} (S_{xn2}; S_{yn})$
wobei phi die Winkelposition des Magneten 215 und/oder des drehbaren Objekts 205 ist.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 mit Abbildungsinformationen ausgebildet sein, die dem Bestimmen der Winkelposition (oder des Drehwinkels) des drehbaren Objekts 205 zugeordnet sind, basierend auf dem erfassten Satz von Komponenten des Magnetfelds. Der Magnetsensor 220 kann die Abbildungsinformationen in einem Speicher (z. B. einem Nur-Lese-Speicher (ROM) (z. B. einem elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM)), einem Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder einem anderen Typ von dynamischer oder statischer Speichervorrichtung (z. B. einem Flashspeicher, einem Magnetspeicher, einem optischen Speicher, usw.)) des Magnetsensors 220 speichern. Die Abbildungsinformationen können Informationen umfassen, die einem Drehwinkel und einem Satz von Komponenten des Magnetfelds, der dem Drehwinkel entspricht, zugeordnet sind. Die Abbildungsinformationen können solche Informationen für mehrere Drehwinkel und/oder Positionen des drehbaren Objekts 205 umfassen. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 mit den Abbildungsinformationen konfiguriert werden während eines Herstellungsprozesses im Zusammenhang mit dem Magnetsensor 220 und/oder einem Drehwinkelerfassungssystem, eines Kalibrierungsprozesses, der dem Magnetsensor 220 zugeordnet ist, eines Einrichtungsprozesses, der dem Magnetsensor 220 zugeordnet ist und/oder dergleichen.
Während des Betriebs kann der Magnetsensor 220 den Satz von Komponenten des Magnetfelds des Magneten 215 erfassen. Der Magnetsensor 220 kann dann den erfassten Satz von Komponenten des Magnetfelds mit den Abbildungsinformationen vergleichen und den Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 basierend auf dem Vergleich bestimmen. Der Magnetsensor 220 kann beispielsweise Sätze von Komponenten des Magnetfelds identifizieren, die in den Abbildungsinformationen enthalten sind, die mit dem erfassten Satz von Komponenten des Magnetfelds übereinstimmen (z. B. innerhalb eines Schwellenwerts oder die einen Übereinstimmungsschwellenwert erfüllen). Bei diesem Beispiel kann der Magnetsensor 220 den Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 als den Drehwinkel bestimmen, der den übereinstimmenden Abbildungsinformationen entspricht.
Die Steuerung 225 umfasst eine oder mehrere Schaltungen, die dem Bestimmen eines Drehwinkels (und/oder der Position) des drehbaren Objekts 205 und dem Bereitstellen von Informationen im Zusammenhang mit dem Drehwinkel des drehbaren Objekts 205 zugeordnet sind. Die Steuerung 225 kann beispielsweise einen Prozessor, eine integrierte Schaltung, eine Steuerschaltung, eine Rückkopplungsschaltung und/oder dergleichen umfassen. Die Steuerung 225 kann Eingangssignale von einem oder mehreren Sensoren empfangen (z. B. von einem Digitalsignalprozessor (DSP) des Magnetsensors 220), wie zum Beispiel einen oder mehrere Magnetsensoren 220, kann die Eingangssignale (z. B. unter Verwendung eines Analogsignalprozessors, eines DSP und/oder dergleichen) verarbeiten, um ein Ausgangssignal zu erzeugen und kann das Ausgangssignal an eine oder mehrere andere Vorrichtungen oder Systeme bereitstellen. Beispielsweise kann die Steuerung 225 ein oder mehrere Eingangssignale von dem Magnetsensor 220 empfangen und kann das eine oder die mehreren Eingangssignale verwenden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Winkelposition des drehbaren Objekts 205 aufweist, mit dem der Magnet 215 verbunden ist.
Die Anzahl und Anordnung der in 2 gezeigten Vorrichtungen ist als ein Beispiel bereitgestellt. In der Praxis kann es zusätzliche Vorrichtungen, weniger Vorrichtungen, unterschiedliche Vorrichtungen oder unterschiedlich angeordnete Vorrichtungen, als diejenigen die in 2 gezeigt sind, geben. Ferner können zwei oder mehr der in 2 gezeigten Vorrichtungen in einer einzigen Vorrichtung implementiert sein oder eine einzige in 2 gezeigte Vorrichtung kann als mehrere verteilte Vorrichtungen implementiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Satz von Vorrichtungen (z. B. eine oder mehrere Vorrichtungen) der Umgebung 200 eine oder mehrere Funktionen durchführen, die so beschrieben sind, dass sie durch einen weiteren Satz von Vorrichtungen der Umgebung 200 durchgeführt werden.
3 ist ein Diagramm von beispielhaften Elementen des Magnetsensors 220 von 2. Wie es gezeigt ist, kann der Magnetsensor 220 einen Satz von Erfassungselementen 310-1 bis 310-N (wobei N eine Ganzzahl ist und N ≥ 1) (die gemeinsam als „Erfassungselemente 310“ oder einzeln als „Erfassungselement 310“ bezeichnet werden können), einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 320, einen Digitalsignalprozessor (DSP) 330, einen Speicher 340 und eine digitale Schnittstelle 350 umfassen.
Das Erfassungselement 310 umfasst ein Element zum Erfassen einer Komponente oder eines Satzes von Komponenten eines Magnetfelds, das an dem Magnetsensor 220 vorliegt (z. B. das Magnetfeld, das durch den Magneten 215 erzeugt wird). Beispielsweise kann das Erfassungselement 310 ein Hall-basiertes Erfassungselement umfassen, wie zum Beispiel ein vertikales Halleffektbauelement (VHall), das basierend auf einem Halleffekt arbeitet. Als weiteres Beispiel kann das Erfassungselement ein magnetoresistiv basiertes (MR-basiertes) Erfassungselement (das auch als ein XMR bezeichnet werden kann) umfassen, Elemente, die ein magnetoresistives Material aufweisen (z. B. Nickeleisen (NiFe)), wo die elektrische Widerstandsfähigkeit des magnetoresistiven Materials von einer Stärke und/oder einer Richtung des Magnetfelds, das an dem magnetoresistiven Material vorliegt, abhängen kann. Hier kann das Erfassungselement 310 ein anisotropes MR (AMR), ein Giant-MR(GMR)-Effekt, ein Tunnel-MR (TMR), ein Magnettunnelungsübergang (MTJ) und/oder dergleichen sein.
Bei einigen Implementierungen kann das Erfassungselement 310 ein Dünnschicht-XMR sein, so dass zwei Abmessungen (x, y) des Erfassungselements 310 viel größer sind als eine dritte orthogonale Abmessung (z). In solchen Fällen werden Vektorkomponenten parallel zu dem Erfassungselement 310 als Komponenten des Magnetfelds in gleicher Ebene bezeichnet. Ferner kann eine Ebene parallel zu den flachen Seiten des Erfassungselements 310 als die „XMR-Ebene“ bezeichnet werden. Vektorkomponenten, die orthogonal oder senkrecht zu der XMR-Ebene sind, können als Komponenten des Magnetfelds außerhalb der Ebene bezeichnet werden.
Erfassungselemente 310 können auf ein Substrat (z. B. einen Halbleiterchip) des Magnetsensors 220 gesputtert werden. Entsprechend kann eine Oberfläche des Substrats die gleiche sein wie die XMR-Ebene oder xy-Ebene des Magnetsensors 220. Erfassungselemente 310 können Starkfeld- oder gesättigte XMRs sein (z. B. XMRs, die nur Komponenten des Magnetfelds in gleicher Ebene entsprechen). Zusätzlich oder alternativ können Erfassungselemente 310 Schwachfeld oder nicht gesättigte XMRs sein (z. B. XMRs, die nur Komponenten des Magnetfelds außerhalb der Ebene entsprechen). Bei einigen Implementierungen ist das Substrat quadratisch. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleiter (z. B. ein Siliziumhalbleiterstück oder Siliziumchip) mit einer Breite w und einer Höhe h sein. Bei einigen Implementierungen liegt die Breite und/oder Höhe zwischen 1,00 mm und 3,00 mm.
Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 ein oder mehrere Gradiometer umfassen, die aus einem oder mehreren jeweiligen Sätzen von Erfassungselementen 310 bestehen. Beispielsweise kann der Magnetsensor 220 ein erstes Gradiometer umfassen, das ein erstes Erfassungselement 310-1 und ein zweites Erfassungselement 310-2 umfasst, die arbeiten, um einen Satz von Komponenten des Magnetfelds an dem ersten Erfassungselement 310-1 und den Satz von Komponenten an dem zweiten Erfassungselement 310-2 zu erfassen.
Der ADC 320 kann einen Analog-Digital-Wandler umfassen, der ein analoges Signal von dem Satz von Erfassungselementen 310 in ein digitales Signal umwandelt. Beispielsweise kann der ADC 320 analoge Signale, die von dem Satz von Erfassungselementen 310 empfangen werden, in digitale Signale umwandeln, die durch den DSP 330 zu verarbeiten sind. Der ADC 320 kann die digitalen Signale an den DSP 330 liefern. Bei einigen Implementierungen kann der Magnetsensor 220 einen oder mehrere ADCs 320 umfassen.
Der DSP 330 kann eine Digitalsignalverarbeitungsvorrichtung oder eine Sammlung von Digitalsignalverarbeitungsvorrichtungen umfassen. Bei einigen Implementierungen kann der DSP 330 digitale Signale von dem ADC 320 empfangen und kann die digitalen Signale verarbeiten, um Ausgangssignale zu bilden (z. B. bestimmt für die Steuerung 225, wie es in 2 gezeigt ist), wie zum Beispiel Ausgangssignale, die dem Bestimmen der Winkelposition des Magneten 215 um die Mitte der Drehachse 210 herum zugeordnet sind.
Der Speicher 314 kann einen Nur-Lese-Speicher (ROM) (z. B. einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM)), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder einen anderen Typ von dynamischer oder statischer Speichervorrichtung (z. B. einen Flashspeicher, einen Magnetspeicher, einen optischen Speicher, usw.) umfassen, der Informationen und/oder Anweisungen für die Verwendung durch den Magnetsensor 220 speichert. Bei einigen Implementierungen kann der Speicher 340 Informationen speichern die der Verarbeitung zugeordnet sind, die durch den DSP 330 durchgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Speicher 340 Konfigurationswerte oder -parameter für den Satz von Erfassungselementen 310 und/oder Informationen für ein oder mehrere andere Elemente des Magnetsensors 220 speichern, wie zum Beispiel ADC 320 oder digitale Schnittstelle 350.
Die digitale Schnittstelle 350 kann eine Schnittstelle umfassen, über die der Magnetsensor 220 Informationen von und/oder zu einer weiteren Vorrichtung, wie zum Beispiel einer Steuerung 225 (siehe 2) empfangen und/oder liefern kann. Beispielsweise kann die digitale Schnittstelle 350 das Ausgangssignal, bestimmt durch den DSP 330, an die Steuerung 225 liefern und kann ferner Informationen von der Steuerung 225 empfangen.
Die Anzahl und Anordnung der in 3 gezeigten Elemente sind beispielhaft. In der Praxis kann der Magnetsensor 220 zusätzliche Elemente, weniger Elemente, andere Elemente oder anders angeordnete Elemente als diejenigen, die in 3 gezeigt sind umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Satz von Elementen (z. B. ein oder mehrere Elemente) des Magnetsensors 220 eine oder mehrere Funktionen durchführen, die so beschrieben sind, dass dieselben durch einen anderen Satz von Elementen des Magnetsensors 220 durchgeführt werden.
4 ist ein Diagramm eines beispielhaften Gradiometers 400, der in dem Magnetsensor von 3 enthalten sein kann. Wie es in 4 dargestellt ist, ist das Gradiometer 400 durch eine Halbbrückenschaltung dargestellt, die ein erstes Erfassungselement 310-1 und ein zweites Erfassungselement 310-2 umfasst und mit Spannung von einer Versorgung (V_Versorgung) versorgt wird und ein Ausgangssignal (V_Aus) sendet. Das erste Erfassungselement 310-1 und das zweite Erfassungselement 310-2 sind beide ausgebildet, um ein Magnetfeld in einer gleichen Richtung (+x) zu erfassen. Das Gradiometer 400 spricht auf Unterschiede in dem Magnetfeld an, das durch das erste Erfassungselement 310-1 und das zweite Erfassungselement 310-2 erfasst wird. Falls beispielsweise das erste Erfassungselement 310-1 von dem zweiten Erfassungselement 310-2 durch einen bestimmten Abstand V_Aus beabstandet ist, kann V_Aus auf die Differenz in dem Magnetfeld an den zwei unterschiedlichen Positionen antworten durch Antworten auf den Gradienten (z. B. die Neigung des Felds gegenüber der räumlichen Koordinate des Felds). Bei einigen Implementierungen kann der Abstand zumindest 1 mm betragen.
Bei einigen Implementierungen sind sowohl das erste Erfassungselement 310-1 als auch das zweite Erfassungselement 310-2 auf einem gleichen Substrat (z. B. einem gleichen Siliziumchip) implementiert. In solchen Fällen können sowohl das erste Erfassungselement 310-1 als auch das zweite Erfassungselement 310-2 im Wesentlichen gleichzeitig durch einen gleichen Prozess hergestellt werden (z. B. über eine gleiche Dotierung, eine gleiche Ätzrichtung des Substrats, ein Aussetzen des Substrats gegenüber einer gleichen Menge an Dotiermittel und/oder dergleichen). Wenn dieselben auf einem gleichen Substrat ausgebildet oder positioniert sind, können das erste Erfassungselement 310-2 und das zweite Erfassungselement 310-2 ferner relativ genau in Bezug zueinander positioniert werden (z. B unter Verwendung von Lithografie, die eine sehr viel geringere Toleranz aufweist als wenn das erste Erfassungselement 310-1 und das zweite Erfassungselement 310-2 auf getrennt ausgerichteten Substraten wären). Bei einigen Implementierungen kann das Substrat eine Abmessung (z. B. eine Länge und/oder Breite) von zumindest 2 mm aufweisen. Entsprechend können in solchen Fällen das erste Erfassungselement 310-1 und das zweite Erfassungselement 310-2 zumindest 2 mm beabstandet sein. Bei einigen Implementierungen kann ein ausgebildeter Abstand zwischen dem ersten Erfassungselement 310-1 und dem zweiten Erfassungselement 310-2 auf einer oder mehreren Charakteristika (z. B. Magnetisierung, Größe und/oder dergleichen) des Magneten 215 und/oder des Magnetfelds, das durch den Magneten 215 erzeugt wird, basieren.
Wie es oben angemerkt wurde, ist 4 lediglich beispielhaft. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem unterscheiden, was in Bezug auf 4 beschrieben wurde.
5-7 sind Diagramme im Zusammenhang mit beispielhaften Implementierungen 500, 600 bzw. 700 einer hierin beschriebenen Magnetsensoranordnung. Bei den beispielhaften Implementierungen 500, 600 und 700 umfasst ein Substrat des Magnetsensors 220 (nachfolgend als „Substrat“ bezeichnet) ein x-Gradiometer mit Erfassungselementen 1 und 2 (als „1“ und „2“ gezeigt), die entlang einer ersten Achse (als „dx“ gezeigt) ausgerichtet sind, und ein y-Gradiometer mit Erfassungselementen 3 und 4 (als „3“ und „4“ gezeigt), die entlang einer zweiten Achse (als „dy“ gezeigt) ausgerichtet sind. Bei einigen Implementierungen verläuft die erste Achse zwischen einem Schwerpunkt des Erfassungselements 1 und einem Schwerpunkt des Erfassungselements 2, und die zweite Achse verläuft zwischen einem Schwerpunkt des Erfassungselements 3 und einem Schwerpunkt des Erfassungselements 4. Die Erfassungselemente 1 und 2 sind symmetrisch gemäß einem Radius (gezeigt als „Symmetrielinie“), der von der Mitte der Drehachse 210 aus verläuft. Eine x-Achse und eine y-Achse sind gezeigt, wobei die x-Achse einer Referenzrichtung der Magnetisierung des Magneten 215 entsprechen kann. Bei einigen Implementierungen ist die erste Achse parallel zu der x-Achse und die zweite Achse ist parallel zu der y-Achse und/oder die erste Achse und die zweite Achse sind senkrecht zueinander. Die Symmetrie der Anordnung des x-Gradiometers und des y-Gradiometers (in einem 45-Grad-Winkel von der x-Achse) stellt sicher, dass die Signale S_x und S_y von dem x-Gradiometer bzw. dem y-Gradiometer bezüglich Betrag und Form nominal dieselben sind, aber durch die Winkelposition verschoben sind.
Bei den beispielhaften Implementierungen 500, 600 und 700 ist das Erfassungselement 1 so nahe wie möglich zu einer linken Kante des Substrats platziert und das Erfassungselement 3 ist so nah wie möglich zu einer unteren Kante des Substrats platziert. Ferner ist das Erfassungselement 2 von dem Erfassungselement 1 parallel zu der x-Achse verschoben und so weit wie möglich zu der rechten Kante des Substrats und das Erfassungselement 4 ist parallel zu der y-Achse von dem Erfassungselement 3 verschoben und so weit wie möglich zu der oberen Kante des Substrats. Entsprechend kann es eine maximale Beabstandung entlang einer ersten Kantenrichtung zwischen dem Erfassungselement 1 und dem Erfassungselement 2 des x-Gradiometers geben und eine maximale Beabstandung entlang einer zweiten Kantenrichtung zwischen dem Erfassungselement 3 und dem Erfassungselement 4 des y-Gradiometers bei den beispielhaften Konfigurationen der Erfassungselemente bei den beispielhaften Implementierungen 500, 600 und 700. Daher kann bei einigen Implementierungen ein maximales Ausgangssignal von dem x-Gradiometer und dem y-Gradiometer bei den jeweiligen Konfigurationen der beispielhaften Implementierungen 500, 600 und 700 erreicht werden.
Bei der beispielhaften Implementierung 500 von 5 ist das Substrat relativ zu dem drehbaren Objekt 205 und/oder dem Magneten 215 angeordnet, so dass eine Gradiometerschnittstelle zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse mit einer Mitte der Drehachse 210 ausgerichtet ist. Wie es ferner in 5 gezeigt ist, ist die Gradiometerschnittstelle von einer Mitte des x-Gradiometers und einer Mitte des y-Gradiometers versetzt. Bei einigen Implementierungen kann die Gradiometerschnittstelle von der Mitte des x-Gradiometers oder der Mitte des y-Gradiometers versetzt sein.
Wenn die Gradiometerschnittstelle mit der Drehachse ausgerichtet ist, wie es bei der beispielhaften Implementierung 500 von 5 gezeigt ist, und wenn der Magnet 215 in einer Nullposition ist (z. B. wenn das Dipolmoment mit der x-Achse ausgerichtet ist) kann das y-Gradiometer B_y = 0 ausgeben, und wenn derselbe in einer 90-Grad-Position ist (z. B. wenn das Dipolmoment um 90 Grad oder entlang der y-Achse verschoben ist), kann das x-Gradiometer dB_x=B_x1-B_x2=0 ausgeben. Anders ausgedrückt, es gibt keine Versätze zu berücksichtigen, da die Gradiometerschnittstelle mit der Mitte der Drehachse ausgebildet ist. Entsprechend kann die Konfiguration des Substrats, wie es bei der beispielhaften Implementierung 500 gezeigt ist, sicherstellen, dass S_x von dem x-Gradiometer maximal ist, wenn S_y von dem y-Gradiometer eine null kreuzt (und umgekehrt), was eine Phasenverschiebung von genau 90 Grad bereitstellt. Entsprechend kann die Konfiguration des Substrats bei der beispielhaften Implementierung 500 vorteilhaft sein, wenn die Winkelposition berechnet wird.
In einigen Fällen kann jedoch die Signalstärke von dem x-Gradiometer und/oder dem y-Gradiometer blockiert werden, wenn die beispielhafte Konfiguration von 5 verwendet wird. Beispielsweise sind Messungen der Magnetfeldkomponente B_x über x durch den Graphen 510 gezeigt, wenn der Magnet 215 an einer Nullposition ist und der Dipol des Magneten 215 in eine negative x-Richtung zeigt. Daher haben die Messungen der B_x-Kurve entlang x eine flache Region (um x = 0 herum) und eine ansteigende steile Region (in der negativen x-Richtung) und eine abfallende steile Region (in der positiven x-Richtung). Da Messungen durch das x-Gradiometer (gezeigt durch „1“ und „2“) beide nahe der flachen Region durchgeführt werden, ist die Stärke von S_x relativ klein, (da B_x2-B_x1 relativ klein sein wird). Falls das Substrat sich ferner in der positiven x-Richtung verschiebt (z. B. aufgrund von Zusammenbautoleranzen) würde sich die Größe von S_x ändern. Um eine Änderung von S_x trotz einer Verschiebung in der x-Richtung zu vermeiden (um bestimmte Toleranzen zu ermöglichen) können entsprechend einige hierin beschriebene Implementierungen das Substrat ausbilden, so dass dasselbe von der Mitte der Drehachse 210 versetzt ist, so dass die Drehachse 210 nicht mit dem Bereich des Substrats ausgerichtet ist (z. B. nicht darüber oder darunter ausgerichtet ist) oder nicht durch denselben verläuft.
Bei der beispielhaften Implementierung 600 von 6 ist das Substrat relativ zu dem drehbaren Objekt 205 und/oder dem Magneten 215 angeordnet, so dass eine Ecke des Substrats mit der Mitte der Drehachse ausgerichtet ist. Entsprechend ist bei der beispielhaften Implementierung 600 die Gradiometerschnittstelle zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse des x-Gradiometers und des y-Gradiometers von der Mitte der Drehachse 210 versetzt. Wie es ferner in 6 gezeigt ist, ist die Gradiometerschnittstelle von einer Mitte des x-Gradiometers und einer Mitte des y-Gradiometers versetzt. Bei einigen Implementierungen kann die Gradiometerschnittstelle von der Mitte des x-Gradiometers oder der Mitte des y-Gradiometers versetzt sein.
Wenn die Gradiometerschnittstelle nicht mit der Drehachse ausgerichtet ist, wie es in der beispielhaften Implementierung 600 von 6 gezeigt ist, und wenn der Magnet 215 an einer Nullposition ist (z. B. wenn das Dipolmoment mit der x-Achse ausgerichtet ist), kann das y-Gradiometer eine Ausgabe anzeigen, dass dBy (B_y1-B_y2) etwa null beträgt (im Gegensatz zu exakt null wie es in Verbindung mit 5 beschrieben ist), und wenn derselbe in einer 90-Grad-Position ist (z. B. wenn das Dipolmoment um 90 Grad verschoben ist oder entlang der y-Achse verschoben ist), kann das x-Gradiometer eine Ausgabe anzeigen, dass dB_x etwa 0 beträgt (im Gegensatz zu exakt null, wie es in Verbindung mit 5 beschrieben ist). Anders ausgedrückt, es kann einen Versatz zu berücksichtigen geben, da die Gradiometerschnittstelle nicht mit der Mitte der Drehachse ausgerichtet ist. Obwohl der Versatz eventuell berücksichtigt werden muss (z. B. wenn der Magnetsensor 220 Signale von dem x-Gradiometer und dem y-Gradiometer normiert und/oder kombiniert), kann die Konfiguration des Substrats, wie sie bei der beispielhaften Implementierung 600 gezeigt ist, sicherstellen, dass S_x von dem x-Gradiometer maximal ist, wenn S_y von dem y-Gradiometer eine Nullstelle kreuzt (und umgekehrt), was eine beinahe (wenn nicht exakte) 90-Grad-Phasenverschiebung bereitstellt. Entsprechend kann die Konfiguration des Substrats bei der beispielhaften Implementierung 600 vorteilhaft sein, wenn die Winkelposition berechnet wird.
Ferner verschiebt die Konfiguration des Substrats bei der beispielhaften Implementierung 600 das Substrat relativ zu der Konfiguration der beispielhaften Implementierung 500. Daher kann die Signalstärke S_x und/oder S_y relativ zu der Signalstärke bei der beispielhafte Implementierung 500 verbessert werden. Wie es durch den Graphen 610 gezeigt ist, wurden beispielsweise das Erfassungselement 1 und das Erfassungselement 2 in der positiven x-Richtung verschoben (entsprechend der Verschiebung des Substrats) relativ zu der beispielhaften Implementierung 500, so dass das Erfassungselement 1 näher zu der abfallenden steilen Region der B_x-Messungen ist und das Erfassungselement 2 B_x weiter entlang der abfallenden steilen Region der B_x-Messungen erfasst. Daher kann die Signalstärke von S_x (B_x2-B_x1) verbessert werden und eine Toleranz für eine Verschiebung in der x-Richtung kann relativ zu der beispielhaften Implementierung 500 verbessert werden. Wie es durch den Graphen 610 gezeigt ist, ist das Erfassungselement 1 jedoch nicht entlang der abfallenden steilen Region der B_x-Messungen ausgerichtet, um Auswirkungen einer Verschiebung in der x-Richtung vollständig zu vermeiden. Einige hierin beschriebene Implementierungen verschieben das Substrat, um sicherzustellen, dass beide Erfassungselemente 1 und Erfassungselemente 2 B_x in der abfallenden steilen Region messen, um die Signalstärke zu maximieren und eine Verschiebung in der x-Richtung zu berücksichtigen.
Bei der beispielhaften Implementierung 700 von 7 ist das Substrat relativ zu dem drehbaren Objekt 205 und/oder dem Magneten 215 angeordnet, so dass eine Ecke des Substrats von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die Mitte der Drehachse nicht mit einem Bereich des Substrats ausgerichtet ist oder nicht durch denselben verläuft. Entsprechend ist bei der beispielhaften Implementierung 700 die Gradiometerschnittstelle zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse des x-Gradiometers und des y-Gradiometers weiter von der Mitte der Drehachse 210 versetzt relativ zu der beispielhaften Implementierung 600 von 6. Wie es ferner in 7 gezeigt ist, ist die Gradiometerschnittstelle von einer Mitte des x-Gradiometers und einer Mitte des y-Gradiometers versetzt. Bei einigen Implementierungen kann die Gradiometerschnittstelle von der Mitte des x-Gradiometers oder der Mitte des y-Gradiometers versetzt sein.
Wenn die Gradiometerschnittstelle nicht mit der Drehachse ausgerichtet ist, wie es bei der beispielhaften Implementierung 700 von 7 gezeigt ist, kann ein stärkerer Versatz zu berücksichtigen sein, da die Gradiometerschnittstelle im Wesentlichen nicht mit der Mitte der Drehachse ausgerichtet ist. Ferner kann es sein, dass eine Phasenverschiebung zwischen S_x von dem x-Gradiometer und S_y von dem y-Gradiometer nicht um 90 Grad phasenverschoben ist (z. B. die Phasenverschiebung kann geringer als 80 Grad sein), was zusätzliche Komplexität in Bezug auf die Berechnung der Winkelposition des Magneten 215 verursachen kann. S_x und S_y können jedoch manipuliert werden (z. B. normiert und/oder kombiniert unter Verwendung von Verstärkungen und/oder Versätzen), um den Versatz zu berücksichtigen. Beispielsweise kann die Manipulation von S_x und S_y auf dem Abstand zwischen dem Erfassungselement 1 und dem Erfassungselement 2, der Radialverschiebung des Substrats von der Mitte der Drehachse, den Charakteristika des Magneten 215 (z. B. der Größe des Magneten 215, der Größe eines Luftspalts zwischen dem Substrat und dem Magneten 215 und/oder dergleichen) basieren. Als ein Beispiel, um die Nichtorthogonalität von S_x und S_y zu berücksichtigen, können die Referenzrichtungen von der x-y-Richtung gedreht werden durch Manipulieren von S_x und S_y, wie es oben in Gleichungen 2 und 3 gezeigt ist, wo $S_{x2} = c_{2} * S_{x1} + S_{y}, und phi = {arctan}_{2} (S_{x2}, S_{y})) .$
Ferner verschiebt die Konfiguration des Substrats bei der beispielhaften Implementierung 700 das Substrat relativ zu der Konfiguration der beispielhaften Implementierungen 600 weiter. Daher kann die Signalstärke von S_x und/oder S_y relativ zu der Signalstärke bei der beispielhaften Implementierung 600 verbessert werden. Wie es durch den Graphen 710 gezeigt ist, wurden beispielsweise das Erfassungselement 1 und das Erfassungselement 2 in der positiven x-Richtung verschoben (entsprechend der Verschiebung des Substrats), relativ zu der beispielhaften Implementierung 600, so dass das Erfassungselement 1 innerhalb der abfallenden steilen Region der B_x-Messungen ist, zusammen mit dem Erfassungselement 2. Daher ist die Signalstärke von S_x (B_x2-B_x1) verbessert und eine Toleranz für eine Verschiebung in der x-Richtung ist weiter verbessert relativ zu der beispielhaften Implementierung 600. Entsprechend kann die beispielhafte Implementierung 700 eine relativ hohe Signalstärke von S_x erreichen, trotz einer Verschiebung des Substrats in der x-Richtung, durch Sicherstellen dass sowohl das Erfassungselement 1 als auch das Erfassungselement 2 B_x in der abfallenden steilen Region messen.
Obwohl in den vorhergehenden Beispielen auf die beispielhaften Konfigurationen Bezug genommen wird, die Verschiebungen in der x-Richtung und entsprechende Signalstärken S_x aushalten, ist anzumerken, dass die Konfigurationen der beispielhaften Implementierungen 500, 600 und 700 gleichermaßen Verschiebungen in der y-Richtung und entsprechende Signalstärken von S_y aushalten können.
Wie es oben angezeigt ist, sind 5-7 lediglich beispielhaft. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem unterscheiden, was in Bezug auf 5 bis 7 beschrieben ist.
8 und 9 sind Diagramme im Zusammenhang mit beispielhaften Implementierungen 800 bzw. 900 einer hierin beschriebenen Magnetsensoranordnung. Bei den beispielhaften Implementierungen 800 und 900 umfasst ein Substrat eines Magnetsensors 220 (nachfolgend als „Substrat“ bezeichnet) ein erstes Gradiometer mit Erfassungselementen 1 und 2 (als „1“ und „2“ gezeigt), die entlang einer ersten Achse (als „d12“ gezeigt) ausgerichtet sind, und ein zweites Gradiometer mit Erfassungselementen 3 und 4 (als „3“ und „4“ gezeigt), die entlang einer zweiten Achse (als „d34“ gezeigt) ausgerichtet sind. Bei einigen Implementierungen verläuft die erste Achse zwischen einem Schwerpunkt des Erfassungselements 1 und einem Schwerpunkt des Erfassungselements 2 und die zweite Achse verläuft zwischen einem Schwerpunkt des Erfassungselements 3 und einem Schwerpunkt des Erfassungselements 4. Wie es in 8 und 9 gezeigt ist, ist zumindest eines der Erfassungselemente des ersten und zweiten Gradiometers nicht mit dem Magnet 215 ausgerichtet (z. B. darüber oder darunter ausgerichtet). Beispielsweise kann ein Abstand zwischen dem Erfassungselement 2 und der Mitte der Drehachse größer sein als der Radius des Magneten 215 (oder der Abstand von einem Umfang des Magneten 215 zu der Mitte der Drehachse 210). Bei einigen Implementierungen können alle Erfassungselemente des Substrats mit dem Magneten 215 ausgerichtet sein (z. B. mit einer Ebene, die durch den Umfang des Magneten 215 definiert ist). Daher kann der Abstand zwischen jedem der Erfassungselemente 1 bis 4 und der Mitte der Drehachse 210 geringer sein als ein Radius des Magneten 215.
Die Erfassungselemente 1 und 2 können gemäß einem Radius (gezeigt als eine „Symmetrielinie“) symmetrisch sein, der von der Mitte der Drehachse 210 verläuft. Eine x-Achse und eine y-Achse sind gezeigt, wobei die x-Achse einer Referenzrichtung einer Magnetisierung des Magneten 215 entsprechen kann. Die Signale S12 und S34 von dem ersten Gradiometer bzw. dem zweiten Gradiometer können jedoch unterschiedliche Beträge aufweisen (z. B. aufgrund einer Fehlausrichtung mit jeweiligen Komponenten des Magnetfelds), können aber vor der Berechnung der Winkelposition (phi) auf normierte Amplituden skaliert sein.
Wie es in 8 gezeigt ist, ist bei der Konfiguration der beispielhaften Implementierung 800 das Erfassungselement 1 so nahe wie möglich zu einer linken Kante der unteren linken Ecke des Substrats platziert und das Erfassungselement 3 ist so nahe wie möglich zu einer unteren Kante der unteren linken Ecke des Substrats platziert. Ferner ist das Erfassungselement 2 so weit wie möglich zu einer rechten Seitenkante der oberen rechten Ecke des Substrats hin platziert und das Erfassungselement 4 ist so weit wie möglich zu einer oberen Kante der oberen rechten Ecke des Substrats platziert. Entsprechend kann es eine maximale Beabstandung zwischen dem Erfassungselement 1 und dem Erfassungselement 2 des x-Gradiometers geben und eine maximale Beabstandung zwischen dem Erfassungselement 3 und dem Erfassungselement 4 des y-Gradiometers bei der Konfiguration der Erfassungselemente der beispielhaften Implementierung 800. Daher kann bei einigen Implementierungen ein maximales Ausgangssignal von dem x-Gradiometer und dem y-Gradiometer in der jeweiligen Konfiguration der beispielhaften Implementierung 800 erreicht werden.
Bei der beispielhaften Implementierung 800 ist das Substrat relativ zu dem drehbaren Objekt 205 und/oder dem Magneten 215 auf ähnliche Weise wie bei der beispielhaften Implementierung 700 angeordnet, so dass eine Ecke des Substrats von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die Mitte der Drehachse nicht mit einem Bereich des Substrats ausgerichtet ist oder nicht durch denselben verläuft. Bei der beispielhaften Implementierung 800 ist jedoch die erste Achse des ersten Gradiometers entlang einer Richtung ausgerichtet, die etwa 40 Grad relativ zu der positiven x-Richtung ist, und die zweite Achse des zweiten Gradiometers ist entlang einer Richtung ausgerichtet, die etwa 50 Grad relativ zu der positiven x-Richtung ist. Bei der beispielhaften Implementierung 800 sind das Erfassungselement 1 und das Erfassungselement 2 empfindlich gegenüber der gleichen Komponente des Magnetfelds (z. B. B_x oder 30 Grad im Uhrzeigersinn gedreht von der positiven x-Richtung) und das Erfassungselement 3 und das Erfassungselement 4 sind empfindlich gegenüber der gleichen Komponente des Magnetfelds (z. B. B_y oder 30 Grad gegen den Uhrzeigersinn von der y-Richtung).
Bei einigen Implementierungen kann die Konfiguration der Erfassungselemente der beispielhaften Implementierung 800 Oberflächenraum (z. B. Chipraum) des Substrats einsparen. Da die Erfassungselemente nicht in allen vier Ecken des Substrats angeordnet sind, kann der verbleibende Chipbereich beispielsweise entfernt werden und/oder für andere Schaltungsanordnungen verwendet werden. Bei einigen Implementierungen kann weiterer Oberflächenraum des Substrats durch Umformen des Substrats (z. B. zu einem Rechteck) eingespart werden.
Wie es in 9 gezeigt ist, hat bei der Konfiguration der beispielhaften Implementierung 900 das Substrat eine rechteckige Form und ist longitudinal verschoben entlang der Symmetrielinie. Ferner ist das Erfassungselement in einer ersten Ecke (untere linke Ecke) des Substrats platziert und das Erfassungselement 2 ist in einer zweiten Ecke (obere rechte Ecke) gegenüber der ersten Ecke und dem Erfassungselement 1 platziert. Zusätzlich ist bei der beispielhaften Implementierung 900 das Erfassungselement 3 in einer dritten Ecke (untere rechte Ecke) des Substrats platziert und das Erfassungselement 4 ist in einer vierten Ecke (obere linke Ecke) gegenüber der dritten Ecke und dem Erfassungselement 3 platziert.
Die beispielhafte Konfiguration der beispielhaften Implementierung 900 kann Hardware-Ressourcen und/oder eine Größe des Substrats (und somit die Größe des Magnetsensors 220) sparen, während die Genauigkeit beim Bestimmen einer Winkelposition des Magneten 215 und/oder des drehbaren Objekts 205 beibehalten wird.
Wie es oben angezeigt ist, sind 8 und 9 lediglich beispielhaft. Andere Beispiele sind möglich und können sich von dem unterscheiden, was in Bezug auf 8 und 9 beschrieben wurde.
10 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 1000, der der Verwendung einer Magnetsensoranordnung mit mehreren Gradiometern wie hierin beschrieben zugeordnet ist. Bei einigen Implementierungen können ein oder mehrere Prozessblöcke von 10 durchgeführt werden durch eine Maschine, die der Herstellung eines Magnetsensors 220 zugeordnet ist.
Wie es in 10 gezeigt ist, kann der Prozess 1000 das Drehen eines Magneten an einem Ende eines drehbaren Objekts um eine Mitte einer Drehachse umfassen (Block 1010). Beispielsweise kann der Magnet 215 mit einem drehbaren Objekt 205 verbunden sein oder als ein Teil desselben gebildet sein. Bei einigen Implementierungen wird das Magnetobjekt 205 gedreht, wodurch bewirkt wird, dass sich der Magnet 215 dreht. Bei einigen Implementierungen sind das drehbare Objekt 205 und/oder der Magnet 215 kompatibel geformt, um zusammenzupassen oder miteinander verbunden zu werden.
Wie es ferner in 10 gezeigt ist, kann der Prozess 1000 das Erfassen eines ersten Paars von Gradiometersignalen an einer ersten Position und einer zweiten Position und eines zweiten Paars von Gradiometersignalen an einer dritten und vierten Position umfassen, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Position von der Mitte der Drehachse versetzt sind (Block 1020). Beispielsweise kann der Magnetsensor 220 das erste Paar von Gradiometersignalen und das zweite Paar von Gradiometersignalen erfassen.
Bei einigen Implementierungen ist die erste Achse in einer ersten Ebene und die zweite Achse ist in einer zweiten Ebene. Bei einigen Implementierungen sind die erste Ebene und die zweite Ebene jeweils senkrecht zu der Drehachse. Bei einigen Implementierungen ist die erste Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt und die zweite Gradiometermitte ist von der Mitte der Drehachse versetzt. Bei einigen Implementierungen schneiden die erste Achse und die zweite Achse sich an einer Gradiometerschnittstelle, wobei das Verfahren ferner das Positionieren der Gradiometerschnittstelle umfasst, so dass dieselbe von der Mitte der Drehachse versetzt ist. Bei einigen Implementierungen ist die erste Achse ausgebildet, um auf einem Substrat des Magnetsensors senkrecht zu der zweiten Achse zu sein.
Obwohl 10 beispielhafte Blöcke des Prozesses 1000 zeigt, kann der Prozess 1000 bei einigen Implementierungen zusätzliche Blöcke, weniger Blöcke, unterschiedliche Blöcke oder unterschiedlich angeordnete Blöcke umfassen als diejenigen, die in 10 gezeigt sind. Außerdem oder alternativ können zwei oder mehrere Blöcke des Prozesses 1000 parallel durchgeführt werden.
Entsprechend stellen einige hierin beschriebene Implementierungen eine Magnetsensoranordnung bereit, die mehrere Gradiometer verwendet, um eine Winkelposition oder einen Drehwinkel einer drehbaren Welle zu bestimmen. Gemäß einigen Implementierungen hierin können die Gradiometer relativ zu einer Mitte einer Drehachse der drehbaren Welle ausgebildet sein, um Störungen in einem Magnetfeld zu berücksichtigen, das dem drehbaren Objekt zugeordnet ist und/oder im Vergleich zu früheren Techniken eine relativ hohe Signalstärke bereitstellen. Ferner können einige hierin beschriebene Implementierungen eine Fehlausrichtung oder Verschiebungen des Magnetsensors relativ zu einer vorkonfigurierten Position aushalten durch Platzieren des Magnetsensors und/oder Konfigurieren von Erfassungselementen innerhalb des Magnetsensors, um eine oder mehrere Komponenten des Magnetfelds zu messen, die die größte Signalstärke liefern. Daher kann eine erhöhte Genauigkeit beim Bestimmen der Winkelposition des drehbaren Objekts im Vergleich zu früheren Techniken erreicht werden.
Die obige Offenbarung stellt eine Darstellung und Beschreibung bereit, soll aber nicht erschöpfend sein oder die Implementierungen auf die genau offenbarte Form begrenzen. Modifikationen und Variationen sind hinsichtlich der obigen Offenbarung möglich oder können von der Anwendung der Implementierungen erhalten werden.
Wie er hierin verwendet wird, soll der Begriff „Komponente“ breit aufgefasst werden als Hardware, Firmware oder eine Kombination von Hardware und Software.
Einige Implementierungen sind hierin in Verbindung mit Schwellenwerten beschrieben. Das Erfüllen eines Schwellenwerts wie es hierin verwendet wird, kann sich auf einen Wert beziehen, der größer ist als der Schwellenwert, mehr als der Schwellenwert, höher als der Schwellenwert, größer als oder gleich wie der Schwellenwert, kleiner als der Schwellenwert, geringer als der Schwellenwert, niedriger als der Schwellenwert, kleiner als oder gleich wie der Schwellenwert, gleich dem Schwellenwert oder dergleichen.
Einige Implementierungen sind hierin so beschrieben, dass dieselben eine parallele Beziehung oder eine senkrechte Beziehung umfassen. Wie es hierin verwendet wird, bedeutet „parallel“, dass dies auch im Wesentlichen parallel abdeckt und „senkrecht“ bedeutet auch im Wesentlichen senkrecht abdeckt. Ferner, wie es hierin verwendet wird, bezieht sich im Wesentlichen darauf, dass eine beschriebene Messung, ein beschriebenes Element und eine Beziehung innerhalb einer Toleranz liegt (z. B. einer Entwurfstoleranz, einer Herstellungstoleranz, einer Industriestandardtoleranz und/oder dergleichen).
Es ist klar, dass Systeme und/oder Verfahren, die hierin beschrieben sind, in unterschiedlichen Formen von Hardware, Firmware oder einer Kombination von Hardware und Software implementiert werden können. Die tatsächliche spezialisierte Steuerhardware oder der Softwarecode, die verwendet werden, um diese Systeme und/oder Verfahren zu implementieren, begrenzt die Implementierungen nicht. Somit wurden der Betrieb und das Verhalten der Systeme und/oder Verfahren hierin ohne Bezugnahme auf spezifischen Softwarecode beschrieben - wobei klar ist, dass Software und Hardware entworfen werden können, um die Systeme und/oder Verfahren basierend auf der Beschreibung hierin zu implementieren.
Obwohl bestimmte Kombinationen von Merkmalen in den Ansprüchen aufgeführt sind und/oder in der Beschreibung offenbart sind, sollen diese Kombinationen die Offenbarung möglicher Implementierungen nicht begrenzen. In der Tat können viele dieser Merkmale auf Arten kombiniert werden, die nicht speziell in den Ansprüchen aufgeführt sind und/oder in der Beschreibung offenbart sind. Obwohl jeder nachfolgend aufgeführte abhängige Anspruch direkt von nur einem Anspruch abhängen kann, umfasst die Offenbarung möglicher Implementierungen jeden abhängigen Anspruch in Kombination mit jedem anderen Anspruch in dem Anspruchssatz.
Kein Element, kein Schritt oder keine Anweisung hierin sollte als kritisch oder wesentlich angesehen werden, es sei denn, dies ist explizit so beschrieben. Außerdem sollen, wie hierin beschrieben, die Artikel „ein, einer, eine“ ein oder mehrere Elemente umfassen und können hierin austauschbar mit „ein, einer, eine oder mehrere“ verwendet werden. Ferner, wie hierin verwendet wird, soll der Begriff „Satz“ ein oder mehrere Elemente umfassen (z. B. verwandte Elemente, nicht verwandte Elemente, eine Kombination von verwandten und nicht-verwandten Elementen, usw.) und kann austauschbar mit „ein, einer, eine oder mehrere“ verwendet werden. Wo nur ein Element beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein, einer, eine“ oder ähnliche Sprache verwendet. Außerdem, wie sie hierin verwendet werden, sollen die Begriffe „hat“, „haben“ oder dergleichen offene Begriffe sein. Ferner soll der Ausdruck „basierend auf“ „basierend zumindest teilweise auf“ bedeuten, es sei denn dies ist explizit anderweitig angemerkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62509570 [0001]

Claims

Beansprucht wird:
Eine Magnetsensoranordnung, die folgende Merkmale aufweist: einen Magnetsensor zum Bestimmen einer Winkelposition eines drehbaren Objekts, wobei das drehbare Objekt ausgebildet ist, um sich um eine Mitte einer Drehachse zu drehen, und wobei der Magnetsensor ein erstes Gradiometer mit einem ersten Satz von Erfassungselementen, die auf einer ersten Achse ausgerichtet sind, und ein zweites Gradiometer mit einem zweiten Satz von Erfassungselementen, die auf einer zweiten Achse ausgerichtet sind, umfasst, wobei das erste Gradiometer eine erste Gradiometermitte auf der ersten Achse aufweist und wobei das zweite Gradiometer eine zweite Gradiometermitte auf der zweiten Achse aufweist, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene jeweils senkrecht zu der Drehachse sind, wobei die erste Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die zweite Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist, wobei der Magnetsensor vorgesehen ist zum: Erfassen, über das erste Gradiometer und das zweite Gradiometer, eines Satzes von Magnetfeldkomponenten eines Magnetfelds, das durch einen Magneten erzeugt wird, wobei der Satz von Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Drehachse ist; wobei der Magnet ausgebildet ist, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt zu drehen; und Bestimmen, basierend auf dem Erfassen des Satzes von Magnetfeldkomponenten, der Winkelposition des drehbaren Objekts.
Magnetsensoranordnung gemäß Anspruch 1, bei der Erfassungselemente des ersten Satzes von Erfassungselementen ausgebildet sind, um eine erste Komponente des Magnetfelds zu erfassen, und Erfassungselemente des zweiten Satzes von Erfassungselementen ausgebildet sind, um eine zweite Komponente des Magnetfelds zu erfassen, wobei sich die erste Komponente von der zweiten Komponente unterscheidet.
Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste Achse senkrecht zu der zweiten Achse ist.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste Achse nicht im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse ist.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der erste Satz von Erfassungselementen ausgebildet ist, um symmetrisch zu sein zu dem zweiten Satz von Erfassungselementen relativ zu einer Radialachse, die durch die Mitte der Drehachse verläuft.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der sich die erste Achse und die zweite Achse an einer Gradiometerschnittstelle schneiden und die Gradiometerschnittstelle zumindest entweder: versetzt von zumindest entweder der ersten Gradiometermitte oder der zweiten Gradiometermitte ist, oder im Wesentlichen mit der Mitte der Drehachse des drehbaren Objekts ausgerichtet ist.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Magnetsensor ausgebildet ist, so dass die Mitte der Drehachse des drehbaren Objekts nicht mit einem Bereich, der dem ersten Gradiometer und dem zweiten Gradiometer zugeordnet ist, ausgerichtet ist oder durch denselben verläuft, wobei der Bereich ein Viereck mit Scheitelpunkten ist, die Positionen von jedem Erfassungselement des ersten Satzes von Erfassungselementen und Positionen von jedem Erfassungselement des zweiten Satzes von Erfassungselementen entsprechen.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Magnetsensor ausgebildet ist, so dass die Mitte der Drehachse des drehbaren Objekts nicht mit einem Bereich, der dem ersten Gradiometer und dem zweiten Gradiometer zugeordnet ist, ausgerichtet ist oder durch denselben verläuft, wobei der Bereich ein Viereck ist mit einer Länge, die auf einer Länge des ersten Gradiometers basiert, und einer Breite, die einer Länge des zweiten Gradiometers entspricht.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste Ebene und die zweite Ebene eine gleiche Ebene sind.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Magnetsensor, wenn derselbe die Winkelposition des drehbaren Objekts bestimmt, vorgesehen ist zum: Normieren eines ersten Gradiometersignals von dem ersten Gradiometer und eines zweiten Gradiometersignals von dem zweiten Gradiometer basierend auf einem Satz von ausgebildeten Signalversätzen und Signalverstärkungen, wobei das erste Gradiometersignal und das zweite Gradiometersignal jeweilige Messinformationen umfassen, die dem Satz von Magnetfeldkomponenten entsprechen; linearen Kombinieren des normierten ersten Gradiometersignals und des normierten zweiten Gradiometersignals, um ein normiertes Gradiometersignal zu erhalten; und Bestimmen der Winkelposition basierend auf dem normierten Gradiometersignal.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der zumindest ein Erfassungselement des ersten Satzes von Erfassungselementen und zumindest ein Erfassungselement des zweiten Satzes von Erfassungselementen um einen größeren Abstand von der Mitte der Drehachse entfernt sind als ein Abstand zwischen einem Umfang des Magneten und der Mitte der Drehachse.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der erste Satz von Erfassungselementen magnetoresistive Erfassungselemente aufweist und der zweite Satz von Erfassungselementen magnetoresistive Erfassungselemente aufweist.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Magnetsensor in einem einzelnen Halbleitersubstrat enthalten ist.
Die Magnetsensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der Magnet an einem Ende des drehbaren Objekts positioniert ist und der Magnetsensor axial an einem Abstand von dem Magneten positioniert ist, so dass zwischen dem Magnet und dem Magnetsensor ein Luftspalt vorliegt.
Ein Magnetsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein erstes Gradiometer, das einen ersten Satz von Erfassungselementen aufweist, die entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind, wobei das erste Gradiometer eine erste Gradiometermitte auf der ersten Achse aufweist; ein zweites Gradiometer, das einen zweiten Satz von Erfassungselementen aufweist, die entlang einer zweiten Achse ausgerichtet sind, wobei das zweite Gradiometer eine zweite Gradiometermitte auf der zweiten Achse aufweist, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene senkrecht zu einer Mitte einer Drehachse eines drehbaren Objekts sind, wobei der erste Satz von Erfassungselementen und der zweite Satz von Erfassungselementen ausgebildet sind, um einen Satz von Magnetfeldkomponenten zu erfassen, der senkrecht zu der Mitte der Drehachse ist, wobei der Satz von Magnetfeldkomponenten gemessen wird von einem Magnetfeld, das durch einen Magneten erzeugt wird, der ausgebildet ist, um sich zusammen mit dem drehbaren Objekt zu drehen; und einen Digitalsignalprozessor zum Bestimmen, basierend auf dem Satz von Magnetfeldkomponenten, einer Winkelposition des drehbaren Objekts.
Der Magnetsensor gemäß Anspruch 15, bei dem der erste Satz von Erfassungselementen symmetrisch ist zu dem zweiten Satz von Erfassungselementen relativ zu einer Radialachse, die durch eine Schnittstelle zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse und die Mitte der Drehachse verläuft.
Der Magnetsensor gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, bei dem der Digitalsignalprozessor beim Bestimmen der Winkelposition des drehbaren Objekts vorgesehen ist zum: Normieren eines ersten Gradiometersignals von dem ersten Gradiometer und eines zweiten Gradiometersignals von dem zweiten Gradiometer basierend auf einem Satz von ausgebildeten Signalversätzen und Signalverstärkungen, wobei das erste Gradiometersignal und das zweite Gradiometersignal jeweilige Messinformationen umfassen, die dem Satz von Magnetfeldkomponenten entsprechen; linearen Kombinieren des normierten ersten Gradiometersignals und des normierten zweiten Gradiometersignals, um ein normiertes Gradiometersignal zu erhalten; und Bestimmen der Winkelposition basierend auf dem normierten Gradiometersignal.
Ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Drehen eines Magneten an einem Ende eines drehbaren Objekts um eine Mitte einer Drehachse, Erfassen, an einer ersten Position und einer zweiten Position, eines ersten Paars von Gradiometersignalen, und an einer dritten und vierten Position, eines zweiten Paars von Gradiometersignalen, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Position von der Mitte der Drehachse versetzt sind, wobei eine erste Gradiometermitte entlang einer ersten Achse angeordnet ist in dem Mittelpunkt zwischen der ersten und zweiten Position, und wobei eine zweite Gradiometermitte entlang einer zweiten Achse angeordnet ist in dem Mittelpunkt zwischen der dritten und vierten Position, wobei die erste Achse in einer ersten Ebene liegt und die zweite Achse in einer zweiten Ebene liegt, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene jeweils senkrecht zu der Drehachse sind, wobei die erste Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist und die zweite Gradiometermitte von der Mitte der Drehachse versetzt ist; und Berechnen eines Drehwinkels basierend auf dem ersten Paar von Gradiometersignalen und dem zweiten Paar von Gradiometersignalen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem sich die erste Achse und die zweite Achse an einer Gradiometerschnittstelle schneiden, wobei das Verfahren ferner das Positionieren der Gradiometerschnittstelle aufweist, so dass dieselbe von der Mitte der Drehachse versetzt ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem die erste Achse ausgebildet ist, um senkrecht zu der zweiten Achse zu sein.